【演算法備忘錄】-(1)-LRU演算法

練好本領發表於2020-11-19
演算法

LRU全稱是Least Recently Used，即最近最久未使用的意思。

LRU演算法的設計原則是：如果一個資料在最近一段時間沒有被訪問到，那麼在將來它被訪問的可能性也很小。也就是說，當限定的空間已存滿資料時，應當把最久沒有被訪問到的資料淘汰。

java實現LRU的方式

基於LRU的基礎思想，本文整理三種實現方式

  1. 用一個List來儲存資料，給每一個資料項標記一個訪問時間戳，每次插入新資料項的時候，先把List中存在的資料項的時間戳自增，並將新資料項的時間戳置為0並插入到List中。每次訪問List中的資料項的時候，將被訪問的資料項的時間戳置為0。當List空間已滿時，將時間戳最大的資料項淘汰。
  2. 利用一個連結串列來實現，每次新插入資料的時候將新資料插到連結串列的頭部；每次快取命中（即資料被訪問），則將資料移到連結串列頭部；那麼當連結串列滿的時候，就將連結串列尾部的資料丟棄。
  3. 利用連結串列和hashmap。當需要插入新的資料項的時候，如果新資料項在連結串列中存在（一般稱為命中），則把該節點移到連結串列頭部，如果不存在，則新建一個節點，放到連結串列頭部，若快取滿了，則把連結串列最後一個節點刪除即可。在訪問資料的時候，如果資料項在連結串列中存在，則把該節點移到連結串列頭部，否則返回-1。這樣一來在連結串列尾部的節點就是最近最久未訪問的資料項。

實現方案

List方案

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.LRU演算法.List;

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;

import java.io.Serializable;
import java.time.Duration;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 說明：
 * 用一個陣列來儲存資料，給每一個資料項標記一個訪問時間戳，每次插入新資料項的時候，先把陣列中存在的資料項的時間戳自增，並將新資料項的時間戳置為0並
 * 插入到陣列中。每次訪問陣列中的資料項的時候，將被訪問的資料項的時間戳置為0。當陣列空間已滿時，將時間戳最大的資料項淘汰。
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/17 15:36
 */
public class LRUByList {
    private static final Integer MAX_CAPACITY = 5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 最多五條
        List<News> newsList = new ArrayList<>(5);
        // 每秒訪問一次新聞，存在就返回，不存在就建立一條新聞
        for (int i = 0; i < 60; i++) {
            LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
            Long id = now.atZone(ZoneId.systemDefault()).toEpochSecond() - Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
            Optional<News> first = newsList.stream().filter(m -> m.getId().equals(id)).findFirst();
            if (first.isPresent()) {
                System.out.println("新聞已存在:" + first.get());
                newsList.remove(first.get());
                newsList.add(first.get());
            } else {
                // 移除最新最少未訪問的新聞
                removeEldest(newsList);
                // 新增一條新聞
                newsList.add(createNews(id));
            }
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("當前新聞列表:" + newsList);
        }
    }

    private static boolean removeEldest(List<News> newsList) {
        // 當元素滿了才移除
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        if (newsList.size() >= MAX_CAPACITY) {
            int index = 0;
            Duration duration = Duration.ofSeconds(0);
            for (int i = 0; i < newsList.size(); i++) {
                Duration tmp = Duration.between(now, newsList.get(i).getTimestamp()).abs();
                if (tmp.getSeconds() > duration.getSeconds()) {
                    duration = tmp;
                    index = i;
                }
            }
            if (duration.getSeconds() != 0) {
                System.out.println("移除新聞:" + newsList.get(index));
                newsList.remove(index);
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    private static News createNews(Long id) {
        News news = new News();
        news.setId(id);
        news.setContent(RandomStringUtils.randomAlphabetic(20));
        news.setTimestamp(LocalDateTime.now());
        return news;
    }

}

/**
 * 新聞
 */
class News implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1917142531644823833L;
    /**
     * 新聞id
     */
    private Long id;
    /**
     * 新聞內容
     */
    private String content;
    /**
     * 新聞時間戳
     */
    private LocalDateTime timestamp;

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public LocalDateTime getTimestamp() {
        return timestamp;
    }

    public void setTimestamp(LocalDateTime timestamp) {
        this.timestamp = timestamp;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "News{" +
                "id=" + id +
                ", content='" + content + '\'' +
                ", timestamp=" + timestamp +
                '}';
    }
}

連結串列方案

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.LRU演算法.連結串列;

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;

import java.io.Serializable;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 說明：
 * 利用一個連結串列來實現，每次新插入資料的時候將新資料插到連結串列的頭部；每次快取命中（即資料被訪問），則將資料移到連結串列頭部；那麼當連結串列滿的時候，就將連結串列
 * 尾部的資料丟棄。
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/18 16:22
 */
public class LRUByLinkedList {
    private static final Integer MAX_CAPACITY = 5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 最多五條
        LinkedList<News> newsList = new LinkedList<>();
        // 每秒訪問一次新聞，存在就返回，不存在就建立一條新聞
        for (int i = 0; i < 60; i++) {
            LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
            Long id = now.atZone(ZoneId.systemDefault()).toEpochSecond() - Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
            Optional<News> first = newsList.stream().filter(m -> m.getId().equals(id)).findFirst();
            if (first.isPresent()) {
                System.out.println("新聞已存在:" + first.get());
                newsList.remove(first.get());
                newsList.addLast(first.get());
            } else {
                // 移除最新最少未訪問的新聞
                removeEldest(newsList);
                // 新增一條新聞
                newsList.offerLast(createNews(id));
            }
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("當前新聞列表:" + newsList);
        }
    }

    private static boolean removeEldest(LinkedList<News> newsList) {
        // 當元素滿了才移除
        if (newsList.size() >= MAX_CAPACITY) {
            News news = newsList.pollFirst();
            System.out.println("移除新聞:" + news);
            return true;
        }
        return false;
    }

    private static News createNews(Long id) {
        News news = new News();
        news.setId(id);
        news.setContent(RandomStringUtils.randomAlphabetic(3));
        return news;
    }

}

/**
 * 新聞
 */
class News implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8488842585714347062L;
    /**
     * 新聞id
     */
    private Long id;
    /**
     * 新聞內容
     */
    private String content;

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "News{" +
                "id=" + id +
                ", content='" + content + '\'' +
                '}';
    }
}

LinkedHashMap

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.lru演算法.linkedhashmap;

import java.util.LinkedHashMap;

/**
 * 說明：
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/19 7:57
 */
public class LRUByLinkedHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private static final long serialVersionUID = 645990055972332218L;

    public LRUByLinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor, accessOrder);
    }

    /**
     * 重寫LinkedHashMap中的removeEldestEntry方法，當LRU中元素多餘6個時， 刪除最不經常使用的元素
     */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry<K, V> eldest) {
        return size() > 6;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LRUByLinkedHashMap<Character, Integer> lru = new LRUByLinkedHashMap<>(16, 0.75f, true);

        String s = "abcdefghijkl";
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            lru.put(s.charAt(i), i);
        }
        System.out.println("LRU中key為h的Entry的值為： " + lru.get('h'));
        System.out.println("LRU的大小 ：" + lru.size());
        System.out.println("LRU ：" + lru);
    }
}

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